生物信息的传递从到

生物信息的传递从到第1页，共144页，2023年，2月20日，星期一(1)DNA序列是遗传信息的贮存者，通过自主复制得到永存；(2)DNA通过转录生成RNA；(3)含遗传信息的mRNA通过翻译生成蛋白质来控制生命现象；(4)同时某些RNA可以通过逆转录将遗传信息传到DNA；(5)某些RNA自身还可进行复制使其遗传信息得以永存。中心法则

(centraldogma)第2页，共144页，2023年，2月20日，星期一基因表达包括转录(transcription)和翻译(translation)两个阶段。转录:指拷贝出一条与DNA链序列完全相同(U替换T)的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤；翻译:指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。第3页，共144页，2023年，2月20日，星期一编码链：与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链(codingstrand)或称有意义链(sensestrand)。模板链：把另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链(templatestrand)或称反义链(antisensestrand)。第4页，共144页，2023年，2月20日，星期一模板链并非永远在同一条单链上转录方向5335模板链编码链编码链模板链转录方向DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。结构基因：第5页，共144页，2023年，2月20日，星期一贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先被转录生成RNA，才能得到表达。RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂，它们既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。第6页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA分子来自DNA。储存于DNA双链中的遗传信息通过转录酶促反应按照碱基互补配对的原则被转化成为单链RNA分子。生物体内共有3种RNA：１、信使RNA(messenger

RNA，mRNA)－编码特定蛋白质序列；2、转移RNA(transferRNA，tRNA)－特异性解读mRNA中的遗传信息、将其转化成相应氨基酸并将其加入多肽链中；3、核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)直接参与核糖体中蛋白质合成。

第7页，共144页，2023年，2月20日，星期一内容大纲1、RNA的转录2、转录机器的主要成分3、启动子与转录起始4、原核生物与真核生物mRNA的特征比较5、终止与抗终止6、内含子的剪接、编辑及化学修饰第8页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·1RNA的转录3·1·1转录的基本过程无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括:模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。第9页，共144页，2023年，2月20日，星期一第10页，共144页，2023年，2月20日，星期一在原核生物中，模板识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。转录起始前，启动子附近的DNA双键分开形成转录泡以促使底物核糖核苷酸与模板DNA的碱基配对。转录起始就是RNA链上第一个核苷酸键的产生。

第11页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录起始后直到形成9个核酸苷短链是通过启动子阶段。RNA聚合酶一直处于启动子区，新生的RNA链与DNA模板链的结合不够牢固，很容易从DNA链上掉下来并导致转录重新开始。一旦RNA聚合酶成功地合成9个以上核苷酸并离开启动子区，转录就进入正常的延伸阶段。所以，通过启动子的时间代表一个启动子的强弱。第12页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA聚合酶离开启动子，沿DNA链移动并使新生RNA链不断伸长的过程就是转录的延伸。37℃时，大肠杆菌RNA聚合酶完成速度为40个核苷酸/S。随着RNA聚合酶的移动，DNA双螺旋持续解开，暴露出新的单链DNA模板，新生RNA链的3’末端不断延伸，在解链区形成RNA-DNA杂合物。而在解链区的后面，DNA模板链与其原先配对的非模板链重新结合成为双螺旋。第13页，共144页，2023年，2月20日，星期一当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链状态，而RNA聚合酶和RNA链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。第14页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核生物RNA聚合酶不能直接识别基因的启动子区，需要转录调控因子(辅助蛋白质)按特定顺序结合于启动子上，RNA聚合酶才能与之相结合并形成复杂的前起始复合物（preinitiationtranscriptioncomplex，PIC)。转录和翻译的速度基本相等，37℃时，转录生成mRNA的速度为14个密码子/S，而蛋白质合成的速度大约是15个氨基酸/S。第15页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·2转录机器的主要成分

3·2·1RNA聚合酶以DNA序列为模板的RNA聚合酶主要以双链DNA为模板，以4种核苷三磷酸作为活性前体，以Mg2＋/Mn2＋为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，它不需要任何引物，催化生成的产物是与DNA模板链互补的RNA。RNA或RNA-DNA双链杂合体不能作为模板。第16页，共144页，2023年，2月20日，星期一大肠杆菌RNA聚合酶的主要成分与功能大多数原核生物RNA聚合酶的组成是相同的，大肠杆菌RNA聚合酶由2个α亚基、一个β亚基、一个β′亚基和一个ω亚基组成，称为核心酶。加上一个σ亚基后则成为聚合酶全酶(holoenzyme)，相对分子质量为4.65×l05。第17页，共144页，2023年，2月20日，星期一第18页，共144页，2023年，2月20日，星期一由β和β′亚基组成了聚合酶的催化中心。β亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。α亚基与核心酶的组装及启动子识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。第19页，共144页，2023年，2月20日，星期一σ因子的作用是负责模板链的选择和转录的起始，它使酶专一性识别模板上的启动子。σ因子可以提高RNA聚合酶对启动子区DNA序列的亲和力，酶底结合常数提高103倍，酶底复合物的半衰期可达数小时甚至数十小时。σ因子还能使RNA聚合酶与模板DNA上非特异性位点的结合常数降低104倍，使酶底复合物的半衰期小于1s。加入σ因子，使RNA聚合酶全酶识别启动子序列的特异性总共提高107倍。第20页，共144页，2023年，2月20日，星期一E.Coli各σ识别的启动子的序列第21页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录的起始从化学过程来看是单个核苷酸与开链启动子－酶复合物相结合构成新生RNA的5’端，再以磷酸二酯键的形式与第二个核苷酸相结合，起始的终止反映在σ因子的释放。当新生RNA链达到6～9个核苷酸时，能形成稳定的酶－DNA－RNA三元复合物，并释放σ因子，转录进人延伸期。第22页，共144页，2023年，2月20日，星期一当聚合酶按5’→3’方向延伸RNA链时，解旋的DNA区域随之移动。聚合酶可以横跨约40bp，而解旋的DNA区域大约是17bp。自由核苷酸能被聚合酶加到新生的RNA链上，并形成DNA-RNA杂合体。随着聚合酶在模板上的运动，靠近3'端的DNA不断解旋，同时在5'端重新形成DNA双链，将RNA链挤出DNA-RNA杂合体。RNA的3'端大约有20～30个核苷酸与DNA和聚合酶相结合。第23页，共144页，2023年，2月20日，星期一大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析亚基基因相对分子量亚基数组分功能αrpoA365002核心酶核心酶组装，启动子识别βrpoB1510001核心酶β和β′共同形成RNA合成的活性中心β′rpoC1550001核心酶ω？110001核心酶？σrpoD700001σ因子存在多种σ因子，用于识别不同的启动子第24页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核生物中共有3类RNA聚合酶，它们在细胞核中的位置不同，负责转录的基因不同。真核生物RNA聚合酶一般有8～14个亚基所组成，分子质量超过5×105。不同生物3类聚合酶的亚基种类和大小存在两条普遍原则:一是聚合酶中有两个相对分子质量超过1×105的大亚基；二是同种生物3类聚合酶有"共享"小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的。第25页，共144页，2023年，2月20日，星期一酶位置转录产物相对活性对α-鹅膏蕈碱的敏感性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA50-70%不敏感RNA聚合酶Ⅱ核质hnRNA20-40%敏感RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA约10%存在物种特异性真核细胞的三种RNA聚合酶特征比较第26页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核生物线粒体和叶绿体中还存在着不同的RNA聚合酶：线粒体RNA聚合酶：相对分子质量小于7x104，是已知最小的RNA聚合酶之一，与T7噬菌体RNA聚合酶有同源性。叶绿体RNA聚合酶：比较大，结构上与细菌中的聚合酶相似，由多个亚基组成，部分亚基由叶绿体基因组编码。

第27页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8×105dol小，1.09×105dol引物无有产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5’3’，3’5’校对合成能力无有修复能力无有第28页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·2·2转录复合物启动子选择阶段包括RNA聚合酶全酶对启动子的识别，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭复合物（closedcomplex）。伴随着DNA构象上的重大变化，封闭复合物转变成开放复合物(opencomplex)，聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开。第29页，共144页，2023年，2月20日，星期一

强启动子→从封闭复合物到开放复合物的转变是不可逆的，是快反应。开放复合物与最初的两个NTP相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后→(RNA聚合酶、DNA和新生RNA)三元复合物。

第30页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA合成的起始第31页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核生物转录起始复合物的分子量很大：RNA聚合酶、7种辅助因子，辅助因子又包含多个亚基。第32页，共144页，2023年，2月20日，星期一三元复合物可以进入两条不同的反应途径，一是合成并释放2～9个核苷酸的短RNA转录物——流产式起始;二是尽快释放σ亚基，转录起始复合物通过上游启动子区并生成由核心酶、DNA和新生RNA所组成的转录延伸复合物。第33页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录的真实性取决：有特异的转录起始位点；转录起始后按照碱基互补原则准确地转录模板DNA序列；具有特异的终止部位。RNA的合成是在模板DNA的启动子位点上起始的，而这个任务是靠σ因子来完成的。RNA聚合酶的核心酶虽可合成RNA，但不能找到模板DNA上的起始位点。核心酶的产物不均一，因为它没有固定的起始位点，而且DNA两条链都可作为模板。第34页，共144页，2023年，2月20日，星期一只有带σ因子的全酶才能专一地与DNA上的启动子结合，选择其中一条链作为模板，合成均一的产物。σ因子的作用只是起始而已，一旦转录开始，它就脱离了起始复合物，而由核心酶负责RNA链的延伸。因此，聚合酶全酶的作用是启动子的选择和转录的起始，而核心酶的作用是链的延伸。第35页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录延伸复合物是转录循环中一个十分重要的环节。与转录起始复合物相比，延伸复合物极为稳定，可以长时间地与DNA模板相结合而不解离。只有遇到转录终止信号时，RNA聚合酶才停止加入新核苷酸，RNA－DNA杂合物解离，释放转录产物并导致聚合酶从模板DNA上掉下来。第36页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3启动子与转录起始大肠杆菌RNA聚合酶与启动子的相互作用主要包括启动子区的识别、酶与启动子的结合及σ因子的结合与解离。第37页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3·1启动子区的基本结构启动子：一段位于结构基因5′端上游的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地结合并具有转录起始的特异性。基因的特异性转录取决于酶与启动子能否有效地形成二元复合物，所以，RNA聚合酶如何有效地找到启动子并与之相结合是转录起始过程中首先要解决的问题。第38页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录的起始是基因表达的关键阶段，而这一阶段的重要问题是RNA聚合酶与启动子的相互作用。启动子的结构影响了它与RNA聚合酶的亲和力，从而影响了基因表达的水平。第39页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录单元(transcriptionunit)是一段从启动子开始至终止子(terminator)结束的DNA序列。RNA聚合酶从转录起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。在细菌中，一个转录单元可以是一个基因，也可以是几个基因。第40页，共144页，2023年，2月20日，星期一DNA启动子转录起点终止子编码链模板链－1＋1RNARNA转录单元示意图第41页，共144页，2023年，2月20日，星期一转录起点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。常把起点前面，即5'末端的序列称为上游(upstream)，而把其后面即3’末端的序列称为下游(downstream)。在描述碱基的位置时，一般用数字表示，起点为+1，下游方向依次为+2、+3……，上游方向依次为-1、-2、-3……。upstreamstartpointdownstream－10＋1＋10第42页，共144页，2023年，2月20日，星期一启动子区是RNA聚合酶的结合区，结构直接关系到转录的效率。启动子区有什么结构特点呢?Pribnow设计了一个实验：把RNA聚合酶全酶与模板DNA结合后，用DNaseI水解DNA，然后用酚抽提，沉淀纯化DNA后得到一个被RNA聚合酶保护的DNA片段，约有41~44个核苷酸对。第43页，共144页，2023年，2月20日，星期一

原核生物启动子结构Pribnow41-44bp第44页，共144页，2023年，2月20日，星期一Pribnow分离了fd噬菌体、T7噬菌体等被酶保护的区域，并进行了序列分析，又有人做了50多个启动子的序列分析后发现，在被保护区内有一个由5个核苷酸组成的共同序列，是RNA聚合酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区(Pribnowbox)，这个区的中央大约位于起点上游10bp处，所以又称为－10区。第45页，共144页，2023年，2月20日，星期一从噬菌体的左、右启动子PL及PR和SV40启动子的－35bp附近找到了另一段共同序列:TTGACA。分析了46个大肠杆菌启动子序列以后，确证绝大部分启动子都存在这两段共同序列，即位于－10bp处的TATA区和－35bp处的TTGACA区。-10位的TATA区和-35位的TGACA区是RNA聚合酶与启动子的结合位点，能与σ因子相互识别而具有很高的亲和力。

第46页，共144页，2023年，2月20日，星期一大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区T85T83G81A61C69A52T89A89T50A65A100第47页，共144页，2023年，2月20日，星期一典型启动子的结构

-35-10转录起点TTGACA16-19bpTATAAT5-9bp第48页，共144页，2023年，2月20日，星期一在真核生物基因中，位于转录起始点上游－25～－30bp处的共同序列TATAAA，也称为TATA区。另外，在起始位点上游-70～-78bp处还有另一段共同序列CCAAT，这是与原核生物中-35bp区相对应的序列，称为CAAT区(CAATbox)。第49页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核生物RNA聚合酶启动子Ⅱ所识别的启动子区编码链模板链＋1多种不同的调控原件TATAAAYANTYY－30TATA区第一位碱基转录第50页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3·2启动子区的识别RNA聚合酶是通过氢键互补的方式识别启动子的。在启动子区DNA双螺旋结构中，腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶上的某些基团是氢键供体，而4种碱基中的某些基团是氢键受体。由于它们分别处于DNA双螺旋的大沟或小沟内，因此都具有特定的方位，而酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，当它们与启动子中对应的分子在一定距离内互补时，就形成氢键，相互结合。第51页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3·3酶与启动子区的结合在RNA聚合酶与启动子相互作用的过程中，聚合酶首先与启动子区闭合双链DNA相结合，形成二元闭合复合物，然后经过解链得到二元开链复合物。解链区一般在-9～+13之间，而酶与启动子结合的主要区域在其上游。第52页，共144页，2023年，2月20日，星期一一旦开链区解链，酶分子能以正确的取向与解链后的有关单链相互作用，形成开链复合物。因此，RNA聚合酶既是双链DNA结合蛋白，又是单链DNA结合蛋白。DNA开链是按照DNA模板序列正确引入核苷酸底物的必要条件。第53页，共144页，2023年，2月20日，星期一起始(Initiation)延伸(Elongation)终止(Termination)RNApolymerasecatalyzestranscription:第54页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3·4-10区和-35区的最佳间距在原核生物中，-35区与-10区之间的距离大约是16～19bp，小于15bp或大于20bp都会降低启动子的活性。保持启动子这二段序列以及它们之间的距离都是重要的，否则就会改变它所控制基因的表达水平。增减bp，-35区相对于-10区旋转（增减1bp会使两者之间夹角发生360的变化）所产生的超螺旋会发生改变。第55页，共144页，2023年，2月20日，星期一在细菌中常见两种启动子突变，一种叫下降突变(downmutation)：把Pribnow区从TATAAT变成AATAAT就会大大降低其结构基因的转录水平;另一类突变叫上升突变(upmutation)：增加Pribnow区共同序列的同一性。在乳糖操纵子的启动子中，将其Pribnow区从TATGTT变成TATATT，就会提高启动子效率，提高乳糖操纵子基因的转录水平。

第56页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3·5增强子及其功能增强子发现从SV40开始，在SV40转录单元上发现它的转录起始位点约－200bp处有两段72bp长的重复序列，不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降低基因转录水平，保留其中一段或将之取出插至DNA分子的任何部位，就能保持基因正常转录。能强化转录起始的序列为增强子或强化子(enhancer)。第57页，共144页，2023年，2月20日，星期一把β-珠蛋白基因置于带有上述72bp序列的DNA分子上，发现它在体内的转录水平提高了200倍。无论把这段72bp序列放在转录起点上游1400bp或下游3300bp处，它都有转录增强作用。增强子通过影响染色质DNA-蛋白质结构并改变超螺旋而改变模板的整体结构，使得RNA聚合酶更容易与模板DNA相结合，起动基因转录。

第58页，共144页，2023年，2月20日，星期一增强子的特点1.远距离效应＞10kb能发挥作用2.无方向性可位于靶基因上游、下游或内部3.顺式调节调节位于同一染色体靶基因4.无物种和基因的特异性5.具有组织特异性6.有相位性7.有的增强子可以对外部信号产生反应被固醇类激素激活第59页，共144页，2023年，2月20日，星期一绝大多数功能蛋白基因的启动子都具有共同的结构模式。真核基因的启动子在-25～-35区含有TATA序列(TATAbox)，在-70～-80区含有CCAAT序列(CAATbox)，在-80～-110含有GCCACACCC或GGGCGGG序列(GCbox)。TATA区上游的保守序列称为上游启动子元件(upstreampromoterelement，UPE)或称上游激活序列(upstreamactivatingsequence，UAS)。3·3·6真核生物启动子对转录的影响第60页，共144页，2023年，2月20日，星期一第61页，共144页，2023年，2月20日，星期一原核和真核基因转录起始位点上游区结构存在很大差别。原核基因启动区范围较小，TATAAT(Pribnow区)的中心位于-10，上游只有TTGACA区(-35区)作为RNA聚合酶的主要结合位点，参与转录调控;真核基因的调控区较大，TATAA/TA区位于-20～-30，而-40～-110区为上游激活区。真核基因除了含有可与原核基因启动子相对应的CAAT区（－70～78区）之外，大多数基因还拥有GC区和增强子区。第62页，共144页，2023年，2月20日，星期一TATA区和其他两个UPE区的作用有所不同。前者的主要作用是使转录精确地起始，如除去TATA区或进行碱基突变，转录产物下降的相对值不如CAAT区或GC区突变后明显，但所获得的RNA产物起始点不固定。第63页，共144页，2023年，2月20日，星期一CAAT区和GC区主要控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确定。CAAT区对转录起始频率的影响最大，该区任一碱基的改变都将极大地影响靶基因的转录强度，而启动区其他序列中一两个碱基的置换则没有太大的影响。在TATA区和相邻的UPE区之间插入核苷酸也会使转录减弱。第64页，共144页，2023年，2月20日，星期一3种启动子区序列都有重要功能，但并不是每个基因的启动子区都包含这3种序列。有些基因，如SV40早期基因，缺少TATA和CAAT区，只有6个串联在上游-40～-110位点的GC区;有些基因，如组蛋白H2B，不含GC区，但有两个CAAT区，一个TATA区。真核细胞中存在着大量特异性或组成型表达的、能够与不同基因启动子区UPE相结合的转录调控因子。基因转录实际上是RNA聚合酶、转录调控因子和启动子区各种调控元件相互作用的结果。第65页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·3·7转录的抑制抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌全酶和β亚基结合，抑制起始利迪链霉素细菌核心酶和β亚基结合，抑制起始放射线素D真核生物RNA聚合酶Ⅰ与DNA结合，阻止延伸α－鹅膏蕈碱真核生物RNA聚合酶Ⅱ与真核生物RNA聚合酶Ⅱ结合第66页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·4原核生物与真核生物mRNA的特征比较mRNA在大肠杆菌细胞内占总RNA的2%左右(tRNA占16%，而rRNA则占80%以上)。科学家猜想生物细胞内存在能将遗传信息从DNA上转移到蛋白质分子上的信使(或称模板)，但由于mRNA在细菌细胞内的半衰期很短，直到20世纪70年代初才首次将这一重要物质从细胞中分离出来。第67页，共144页，2023年，2月20日，星期一mRNA在所有细胞内执行着相同的功能，即通过密码三联子翻译生成蛋白质，但其生物合成具体过程和成熟mRNA的结构在原核和真核细胞内是不同的。真核细胞mRNA最大特点在于它以一个较大相对分子质量的前体RNA出现在核内，只有成熟的、相对分子质量明显变小并经化学修饰的mRNA才能进入细胞质参与蛋白质的合成。所以，真核细胞mRNA的合成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。第68页，共144页，2023年，2月20日，星期一原核生物中，mRNA的转录和翻译发生在同一个细胞空间里，这两个过程几乎是同步进行的，蛋白质合成往往在mRNA刚开始转录时就被引发。一个原核细胞的mRNA(包括病毒)有时可以编码几个多肽，而一个真核细胞的mRNA最多只能编码一个多肽。原核生物常以AUG作为起始密码子，有时GUG或UUG也作为起始密码子；真核生物几乎都以AUG作为起始密码子。第69页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·4·1原核生物mRNA的特征1、原核生物mRNA的半衰期短：细菌基因的转录与翻译是紧密相联的，基因转录一旦开始，核糖体就结合到新生mRNA链的5′端，启动蛋白质合成，而此时该mRNA的3′端还远远没有转录完全。第70页，共144页，2023年，2月20日，星期一绝大多数细菌mRNA的半衰期很短，mRNA的降解紧随着蛋白质翻译过程发生。转录开始1min后，降解就开始了，当一个mRNA5'端开始降解时，其3'端部分仍在合成或被翻译。mRNA降解的速度大概是转录或翻译速度的一半。第71页，共144页，2023年，2月20日，星期一因为基因转录和多链肽延伸的速度基本相同，所以细胞内某一基因产物(蛋白质)的多少决定于转录和翻译的起始效率，以大肠杆菌色氨酸合成酶基因为例，平均每分钟约有15次转录起始，mRNA链从生成到降解平均被翻译10次，稳定状态下细胞中每分钟生成150个多肽。第72页，共144页，2023年，2月20日，星期一2、许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在：细菌mRNA可以同时编码不同的蛋白质。多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA。多顺反子mRNA是一组相邻基因的转录产物。这一组基因被称为一个操纵子。单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。第73页，共144页，2023年，2月20日，星期一所有mRNA都被分成3部分:编码区、位于AUG之前的5′端上游非编码区以及位于终止密码子之后不翻译的3′端下游非编码区。编码区始于起始密码子AUG，经一连串编码氨基酸的密码子直至终止密码子。对于多顺反子mRNA中的第一个顺反子来说，一旦mRNA的5′端被合成，翻译起始位点即可与核糖体相结合，而后面几个顺反子翻译的起始就会受其上游顺反子结构的调控。第74页，共144页，2023年，2月20日，星期一一种情况是，第一个蛋白质合成终止以后，核糖体分解成大、小亚基，脱离mRNA模板，第二个蛋白的翻译必须等到新的小亚基和大亚基与该蛋白起始密码子相结合后才可能开始。另一种情况是前一个多肽翻译完成以后，核糖体大、小亚基分离，小亚基不离开mRNA模板，而是迅速与游离的大亚基结合，启动第二个多肽的合成。第75页，共144页，2023年，2月20日，星期一第76页，共144页，2023年，2月20日，星期一在噬菌体RNA中，一个顺反子的翻译有时完全取决于它前面顺反子的翻译，噬菌体RNA往往形成复杂的二级结构，只有第一个翻译起始位点是暴露的，在这个顺反子翻译产生多肽的过程中，核糖体的运动破坏了后续顺反子的二级结构，才使起始位点较容易与核糖体相结合形成起复合物。第77页，共144页，2023年，2月20日，星期一第78页，共144页，2023年，2月20日，星期一3、原核生物mRNA的5′无帽子结构，3′端无或者只有较短的poly(A)结构

起始密码子AUG上游7－12个核苷酸有SD序列保守区，与16SrRNA3′端反向互补，在核糖体－mRNA的结合过程起作用。第79页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·4·2真核生物mRNA的特征凡是编码功能蛋白的真核基因都通过RNA聚合酶Ⅱ进行转录。真核基因几乎都是单顺反子，只包含一个蛋白质的信息，其长度在几百到几千个核苷酸之间。一个完整的基因，不但包括编码区(codingregion)，还包括不编码氨基酸的5′和3′端的特异性序列。第80页，共144页，2023年，2月20日，星期一“基因”的分子生物学定义是:产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列真核生物mRNA结构上的最大特征是5'端的帽子及3'的polyA结构。第81页，共144页，2023年，2月20日，星期一1、真核生物mRNA的5'端的"帽子"真核生物的mRNA(不包括叶绿体和线粒体)5'端都是经过修饰的，基因转录一般从A起始，第一个核苷酸保留了5'端的三磷酸基团并能通过其3'-OH位与下一个核苷酸的5'磷酸基团形成二酯键，转录产物的起始序列为:pppApNpNp……体外用核酸酶处理成熟mRNA;其5'端并不产生预期的核苷三磷酸，而产生以5'→5'三磷酸基团相连的二核苷酸，5'终端是一个在mRNA转录后加上去的甲基化鸟嘌呤。第82页，共144页，2023年，2月20日，星期一帽子覆盖了mRNA的5`端，它可在几个位点被甲基化GAAGuanine-7-methyl-transferase2`-O-methyl-transferaseCap010~15%100%第83页，共144页，2023年，2月20日，星期一mRNA5'端加“G”的反应是由鸟苷酸转移酶完成的，这个反应非常迅速，在新生mRNA链达到50个核苷酸之前，帽子结构就已加到mRNA的第一个核苷酸上了。即mRNA几乎一诞生就是戴上帽子的。新加上的G与mRNA链上所有其他核酸苷方向正好相反，像一顶帽子倒扣在mRNA链上。第84页，共144页，2023年，2月20日，星期一mRNA的帽子结构常常被甲基化。第一个甲基出现在所有真核细胞的mRNA中，称为零号帽子(cap0)。第二个核苷酸(原mRNA5’第一位)的2’-OH位上加另一个甲基。有这个甲基的结构称为1号帽子(cap1)，真核生物中以这类帽子结构为主。某些生物细胞内，mRNA链上的第三个核苷酸的2’-OH位也可能被甲基化，被称为2号帽子（cap2），占有帽mRNA总量的10%～15%。

第85页，共144页，2023年，2月20日，星期一

mRNA5'末端帽子特征的生物学功能：I:使mRNA免遭核酸酶的破坏，保持其结构的稳定性；II:利于蛋白质起始因子的识别，从而促进翻译的起始。第86页，共144页，2023年，2月20日，星期一2、多数真核生物mRNA有多聚A尾巴除组蛋白基因外，真核生物mRNA的3'末端都有polyA序列，其长度因mRNA种类不同而变化，40～200个。PolyA序列是在转录后加上去的，是在细胞核中的不均一核RNA阶段加上的。

第87页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核基因的3'末端poly(A)起始位点上游15～30bp处有一段保守序列AAUAAA，这对于初级转录产物的准确切割及加poly(A)是必需的。点突变实验将AAUAAA的基因序列AATAAA变为AAGAAA，发现mRNA的剪接加工受阻，没有功能性mRNA产生。第88页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA聚合酶Ⅱ是真核细胞核中转录RNA的酶。RNA聚合酶Ⅱ在polyA起始位点不终止而继续转录，大部分基因的初级转录产物拥有polyA位点下游0.5～2kb核苷酸序列。加polyA时需要由内切酶切开mRNA3'端的特定部位，然后由polyA合成酶催化多聚腺苷酸的反应。

第89页，共144页，2023年，2月20日，星期一3’端加尾多聚腺苷酸尾巴AAUAAA：★准确切割★加poly（A）第90页，共144页，2023年，2月20日，星期一第91页，共144页，2023年，2月20日，星期一poly(A)是mRNA由细胞核进入细胞质所必需形式，提高mRNA在细胞质中的稳定性。mRNA刚从细胞核细进入胞质时，其poly(A)较长，随着mRNA在细胞质内逗留时间延长，poly(A)逐渐变短消失，mRNA开始降解。真核生物mRNA大都具有poly(A)尾巴，这一特性已被广泛应用于分子克隆。常用寡聚dT片段与mRNA上的poly(A)相配对，作为反转录酶合成第一条cDNA链的引物。第92页，共144页，2023年，2月20日，星期一PolyA用来从总RNA中分离mRNA第93页，共144页，2023年，2月20日，星期一可设计寡聚Oligo(dT)片段合成cDNAmRNA:5`NNNN…..NNNNNNAAA…AA3`

TTT…TT5`

cDNA:3`NNNN…..NNNNNNTTT…TT5`第94页，共144页，2023年，2月20日，星期一大部分真核mRNA有poly(A)尾巴，细胞中还有1/3没有poly(A)的mRNA，带有poly(A)的mRNA称为poly(A)+，而把没有poly(A)的mRNA称为poly(A)－。约1/3的poly(A)－mRNA编码了不同形式的组蛋白，其余2/3的poly(A)－mRNA带有与poly(A)+组分相同的遗传信息。第95页，共144页，2023年，2月20日，星期一原核生物和真核生物mRNA结构的比较第96页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·5终止和反终止RNA聚合酶启始基因转录后，它就会沿着模板5'→3'方向不停地移动，合成RNA链，直到碰上终止信号时才与模板DNA相脱离并释放新生RNA链。终止发生时，所有参与形成RNA-DNA杂合体的氢键都必须被破坏，模板DNA链才能与有意义链重新组合成DNA双链。第97页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·5·1由基因序列决定的终止终止位点上游存在富含GC碱基二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA形成发卡式结构。终止位点前有一段由4～8个A组成的序列，所以转录产物的3’端为寡聚U，这种结构特征决定了转录的终止。RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶暂停，破坏RNA-DNA杂合链5‘端正常结构。寡聚U存在使杂合链3’端部分出现不稳定rU·dA区域。两者共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。第98页，共144页，2023年，2月20日，星期一发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。第99页，共144页，2023年，2月20日，星期一终止效率与二重对称序列和寡聚U的长短有关，长度效率第100页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·5·2依赖于ρ因子的终止ρ因子是分子质量为2.0xl05的六聚体蛋白，它是NTP酶，它通过催化NTP的水解促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。依赖于ρ因子的转录终止区DNA序列无共性，ρ因子不能识别这些终止位点。第101页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA合成起始以后，ρ因子即附着在新生的RNA链上，靠ATP水解产生的能量，沿着5’→3’方向朝RNA聚合酶移动，到达RNA的3’-OH端后取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶，使之从模板DNA上释放出来，同时释放mRNA，完成转录过程。第102页，共144页，2023年，2月20日，星期一ρ结合上来追赶RNApolρ追赶上来（暂停）

ρ与RNApol相互作用使杂交链解链终止子第103页，共144页，2023年，2月20日，星期一

3·5·3RNA合成的抗终止(1)抗终止的定义

RNA聚合酶越过一个或多个终止子实现通读。(2)抗终止的两种作用方式①抗终止蛋白作用于RNA聚合酶。

②破坏终止点RNA的茎-环结构，即破坏mRNA终止子特定的二级结构。第104页，共144页，2023年，2月20日，星期一Terminationoftranscriptioncanberegulated抗终止作用决定RNA聚合酶在终止子位点处终止还是读下去第105页，共144页，2023年，2月20日，星期一Antiterminationextendsthetranscriptionunit抗终止蛋白可作用在RNA聚合酶上，使之越过特定终止子而通读第106页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·6内含子的剪接、编辑及化学修饰3·6·1RNA中的内含子真核基因表达往往伴随着RNA的剪接过程,从mRNA前体分子中切除被称为内含子(intron)的非编码区，并使基因中被称为外显子(exon)的编码区拼接形成成熟mRNA。真核基因大多是断裂的，即一个基因可由多个内含子和外显子间隔排列而成。内含子在真核基因中所占的比例很高，可超过99%。第107页，共144页，2023年，2月20日，星期一用DNA-RNA杂交的方法验证鸡卵清蛋白基因中存在非编码的内含子区。a.成熟mRNA与带有该基因的互补链DNA序列杂交示意图；b.鸡卵清蛋白的基因结构示意图第108页，共144页，2023年，2月20日，星期一部分人类基因中内含子序列所占的比重分析第109页，共144页，2023年，2月20日，星期一由DNA转录生成的原始转录产物核不均一RNA(hnRNA，heterogeneousnuclearRNA)，经过5‘加“帽”和3’酶切加多聚腺苷酸，再经过RNA的剪接，编码蛋白质的外显子部分就连接成为一个连续的可读框(openreadingframe，ORF)，通过核孔进入细胞质，作为蛋白质合成的模板。第110页，共144页，2023年，2月20日，星期一RNA加工过程及其生理功能第111页，共144页，2023年，2月20日，星期一第112页，共144页，2023年，2月20日，星期一真核基因平均含有8个内含子，前体分子一般比成熟mRNA大4～10倍。不同生物细胞内含子的边界处存在相似的核苷酸序列。GU-AG和AU-AC分别是不同内含子的5’和3’边界序列，GU-AG是主要的，AU-AC是次要的。除了边界序列之外，外显子与内含子交界处的序列以及内含子内部的部分序列都有可能参与内含子的剪接。第113页，共144页，2023年，2月20日，星期一生物体内的各种内含子第114页，共144页，2023年，2月20日，星期一脊椎动物前体mRNA中常见内含子剪接所必需的保守序列第115页，共144页，2023年，2月20日，星期一3·6·2RNA的剪接许多相对分子质量较小(106～185bp)的核内RNA(如Ul，U2，U4，U5和U6)以及与这些RNA相结合的核蛋白(被称为snRNPs，ribonucleoproteinparticle)参与RNA的剪接。第116页，共144页，2023年，2月20日，星期一mRNA链上每个内含子的5'和3'端分别与不同的snRNP相结合，形成RNA和RNP复合物。由U1snoRNA以碱基互补的方式识别mRNA前体5'剪接点，由结合在3'剪接点上游富嘧啶区的U2AF(U2auxiliaryfactor)识别3'剪接点并引导U2snRNP与分支点相结合，形成剪接前体(Pre-spliceosome)，并进一步与U4、U5、U6snRNP三聚体相结合，形成60S的剪接体(spliceosome)，进行RNA前体分子的剪接。第117页，共144页，2023年，2月20日，星期一第118页，共144页，2023年，2月20日，星期一第119页，共144页，2023年，2月20日，星期一哺乳动物细胞中，mRNA前体上的snRNP是从5’向下游“扫描”，选择在分支点富嘧啶区3’下游的第一个AG作为剪接的3’受点。AG前一位核苷酸可以影响剪接效率，一般说来，CAG＝UAG>AAG>GAG。如果mRNA前体上同时存在几个AG，可能发生剪接竞争。第120页，共144页，2023年，2月20日，星期一变位剪接SXLSXL蛋白合成没有SXL蛋白的合成23424234sxl前体mRNA图（3-19-a）果蝇中与性别分化相关基因产物的特异性剪接过程第121页，共144页，2023年，2月20日，星期一SXLTRA无TRA蛋白合成有TRA蛋白合成PartofU2AF65U2AF65tra前体mRNA1211112222图（3-19-b）果蝇中与性别分化相关基因产物的特异性剪接过程第122页，共144页，2023年，2月20日，星期一345dsx前体mRNA35345TRASR蛋白34雄性特异的DSX蛋白雌性特异的DSX蛋白图（3-19-c）果蝇中与性别分化相关基因产物的特异性剪接过程第123页，共144页，2023年，2月20日，星期一I、Ⅱ类内含子的RNA本身具有催化活性，能进行内含子自我剪接。在I类内含子切除体系中，鸟苷或鸟苷酸的3'-OH作为亲核基团攻击内含子5'端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链。再由上游外显子自由3'-OH作为亲核基团攻击内含子3’位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。第124页，共144页，2023年，2月20日，星期一UpAGpU5′外显子3′外显子5′3′pG-OHU-OHGpUpGpARNA剪接中间产物3′5′UpU5′

pGpAG-OH3′5′3′内含子自由鸟苷酸的3‘—OH作为亲核基团攻击内含子5’端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链。上游外显子的自由3’—OH作为亲核基团攻击内含子3’位核酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开。图